《談天說文》電波看宇宙—淺談電波望遠鏡

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1609年，義大利天文學家伽利略將自製的折射望遠鏡指向天際，開啟了天文觀測的新世紀，國際天文聯合會與聯合國教科文組織正式將2009年訂為全球天文年，紀念伽利略首次用望遠鏡進行天文觀測400周年。

從伽利略算起，可見光望遠鏡的發展將近400年，但宇宙所透露的訊息不僅只有可見光，還包括不同波長的無線電波、紅外光、紫外光、X射線和伽瑪射線，這些波段的天文觀測都必須用全然不同的望遠鏡，而這些望遠鏡的發展也只是近幾十年的事。若以電波望遠鏡為例，第一架電波望遠鏡是美國無線電工程師央斯基在1931年所建造的譗旋轉木馬豃（如圖一）。當時央斯基為了找尋暴風雨來臨的方向，以便讓無線電接收天線遠離暴風雨所帶來的雜訊干擾，便設計了一台電波天線，這台旋轉木馬長約30公尺，高約4公尺，下頭有4個輪子，整台天線每隔20分鐘繞著中心旋轉一圈，旋轉木馬專門接收14.6公尺的無線電波。央斯基透過旋轉木馬的觀測，意外發現銀河中心有一個電波源。

1937年，美國另一位電波工程師雷柏在自家後院建造了第一座直徑9.5公尺拋物面反射式天線。剛開始雷柏用他的望遠鏡接收9.1公分的電波，但一無所獲，於是他繼續探索波長更長（33公分）的訊號，1939年雷柏將波長延伸到1.87公尺，接收器上才有所反應，他在銀河盤面附近接收到明顯的電波訊號，並在1944年繪製出第一幅電波影像。之後遇上了二次世界大戰，中斷了電波天文學的研究，大戰結束後，許多一流的雷達科學家轉入電波天文學的領域，將雷達技術轉向外太空。

由於無線電波屬於波長比可見光更長的電磁波，波長通常是數公尺到次毫米，最少也比可見光大上數百萬倍，因此早期電波望遠鏡的解析能力很差，電波天文學家不斷地努力將電波望遠鏡做大，現今單一可轉動的電波望遠鏡口徑約100公尺（如圖二），固定的電波望遠鏡可達300多公尺，即便如此，電波望遠鏡的解析能力仍不足以和可見光望遠鏡相比。

現今電波天文學家為了求得更大口徑的望遠鏡，藉由干涉儀的技術，發展出望遠鏡陣列，也就是用許多較小口徑的電波望遠鏡，模仿出一面超大口徑的望遠鏡。於是美國國家電波天文台在新墨西哥州建立了27座20公尺口徑的特大天線陣（如圖三），最大等效口徑有36公里，角解析度可達0.04秒弧（大約可以分辨出150公里外的高爾夫球）。國際合作的全球特長基線干涉儀橫跨各個大洲，角解析度比特大天線陣好數百倍。日本最新的VSOP計畫則是將一台電波望遠鏡放到外太空，最長基線可達3萬公里，角解析度再好上10倍。

電波望遠鏡可以看到許多可見光看不到的影像，宇宙中的塵埃和氣體會遮蔽可見光，電波的波長較長，可以穿透這些阻礙，因此對於一些恆星形成區或者超大質量黑洞的四周都可以藉由電波望遠鏡進行觀測。中央研究院天文及天文物理研究所（以下簡稱天文所）長期投入電波天文學的研究，和國外研究機構合作，在夏威夷毛納基山建造次毫米波陣列（如圖四），也和台灣大學等國內研究單位合作，在夏威夷毛納羅山建造李遠哲陣列（如圖五）。近來天文所積極參與ALMA計畫，這是未來數十年全球最大的毫米與次毫米波段的望遠鏡陣列，北美、歐洲和日本是主要的參與國家，預計在智利建造64座12公尺天線的譗12公尺陣列豃，以及4座12公尺及12座7公尺天線所組成的譗Atacama 密集陣列豃，預計角解析度會是哈柏太空望遠鏡的10倍。使得我們可以更清楚地觀察及研究宇宙的各個角落，是未來電波天文觀測和研究的重要利器。